DE102011051906B4

DE102011051906B4 - Process and apparatus for gasifying carbonaceous solids with water vapor and carbon dioxide and mixtures thereof

Info

Publication number: DE102011051906B4
Application number: DE102011051906.8A
Authority: DE
Inventors: Robin Schmidt; Petr A. Nikrityuk; Frank Dierich; Prof. Stelter Michael; Bernd Meyer
Original assignee: Technische Universitaet Bergakademie Freiberg
Current assignee: Technische Universitaet Bergakademie Freiberg
Priority date: 2011-07-18
Filing date: 2011-07-18
Publication date: 2015-06-11
Anticipated expiration: 2031-07-19
Also published as: DE102011051906A1

Abstract

Verfahren zur Vergasung von kohlenstoffhaltigen festen Stoffen in einem Wirbelschichtvergasungsreaktor, wobei ein Vergasungsmittel, das Kohlendioxid und/oder Wasserdampf enthält, im unteren Teil des Vergasungsreaktors mittels einer Einspeisungsvorrichtung (4) unter Druck in den Vergasungsreaktor eingeblasen wird, wobei der Vergasungsstoff oberhalb der Wirbelschicht unter Druck in den Vergasungsreaktor eingeführt wird, wobei die Vergasung der Vergasungsstoffe mit den Vergasungsmitteln erfolgt, indem mittels eines in der Wirbelschicht um die Mittelachse des Reaktormantels (3) schrittweise rotierenden Spannungsfeldes diskontinuierlich ein, dem Spannungsfeld folgend schrittweise rotierendes, Plasma gezündet wird, und staubbeladenes Rohgas oberseitig und Bodenprodukt (Asche) unterseitig des Vergasungsreaktors abgezogen wird.Process for the gasification of carbonaceous solids in a fluidized bed gasification reactor, wherein a gasification agent containing carbon dioxide and / or water vapor is injected under pressure into the gasification reactor in the lower part of the gasification reactor by means of a feed device (4), the gasification material being pressurized above the fluidized bed is introduced into the gasification reactor, wherein the gasification of the gasification materials is carried out with the gasification means by means of a in the fluidized bed about the central axis of the reactor shell (3) gradually rotating voltage field discontinuously one, the voltage field following stepwise rotating, plasma is ignited, and dust-laden raw gas on the upper side and bottom product (ash) is withdrawn from the bottom of the gasification reactor.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Vergasung kohlenstoffhaltiger fester Stoffe mit Wasserdampf und Kohlendioxid und deren Gemische.The invention relates to a method and a device for gasification of carbonaceous solids with water vapor and carbon dioxide and mixtures thereof.

Die Vergasung kohlenstoffhaltiger (C-haltiger) Stoffe erfolgt in der Regel unter Verwendung von Sauerstoff, Kohlendioxid und Wasserdampf um sogenanntes Synthese- oder Wassergas zu erzeugen, dass Kohlenmonoxid, Wasserstoff, Kohlendioxid und Spuren anderer Bestandteile enthält. In der Regel werden derartige Vergasungen im Verfahren der Flugstrom-, Festbett- oder Wirbelschichtvergasung durchgeführt. The gasification of carbonaceous (C-containing) substances is usually carried out using oxygen, carbon dioxide and water vapor to produce so-called synthesis or water gas containing carbon monoxide, hydrogen, carbon dioxide and traces of other ingredients. As a rule, such gasification is carried out in the process of entrained flow, fixed bed or fluidized bed gasification.

Bei der Wirbelschichtvergasung werden die C-haltigen Vergasungsstoffe in granulierter Form und geeigneter Größenfraktion mit Vergasungsmitteln in einer Wirbelschicht bei hohen Temperaturen zu dem eigentlichen Vergasungsprodukt Rohgas sowie Vergasungsrückständen umgewandelt. Die Vergasungsrückstände bestehen aus Aschen, Schlacken und Restkoksen und werden, entsprechend ihrer Körnung, in grobkörniges Bodenprodukte und feinkörnige Stäube unterschieden.In fluidized bed gasification, the C-containing gasification substances in granulated form and suitable size fraction are converted with gasification agents in a fluidized bed at high temperatures to the actual gasification product raw gas and gasification residues. The gasification residues consist of ashes, slags and residual cokes and, according to their grain size, are classified into coarse-grained soil products and fine-grained dusts.

Die Bodenprodukte können unterhalb der Wirbelschicht abgezogen werden, die Stäube hingegen verlassen den Reaktor zum größten Teil gemeinsam mit dem Rohgas und müssen extern, bspw. in einem Zyklon, abgeschieden werden. Durch den Verlust der Bodenprodukte und des mit dem Rohgas ausgetragenen Staubs für den Vergasungsprozess sind in Wirbelschichtvergasungsverfahren niedrige C-Umsatzgrade von 90 % oder weniger üblich.The bottom products can be withdrawn below the fluidized bed, but the dust leaves the reactor for the most part together with the raw gas and must be externally, for example. In a cyclone, deposited. Due to the loss of the bottom products and the gas discharged with the raw gas for the gasification process, low C conversions of 90% or less are common in fluidized bed gasification processes.

In gängigen Verfahren werden die abgeschiedenen Stäube teilweise rezykliert und erneut in die Wirbelschicht eingebracht. Dadurch wird deren Verweilzeit in der Vergasungszone erhöht, wodurch höhere C-Umsätze ermöglicht werden. Jedoch führt es ebenso zur Bildung sehr feinkörniger Aschen, deren vollständige Rückführung mit gängigen Rezyklationsverfahren nicht möglich ist. Vielmehr ist eine externe Nachverbrennung dieser Stäube nachteilig in Kauf zu nehmen.In common processes, the separated dusts are partially recycled and re-introduced into the fluidized bed. This increases their residence time in the gasification zone, allowing higher C conversions. However, it also leads to the formation of very fine-grained ashes whose complete recycling is not possible with current recycle processes. Rather, an external afterburning of these dusts is disadvantageous to accept.

Das Einblasen des rezyklierten Staubes in den Vergasungsraum führt darüber hinaus zur Bildung einer zirkulierenden Wirbelschicht. Dadurch wird die Gasgeschwindigkeit in der Wirbelschicht und somit die Brennstoffzugabe im Vergasungsprozess erhöht. Nachteilig dabei ist jedoch der zusätzliche Energieaufwand, der zum Einblasen des rezyklierten Staubes und zur Aufrechterhaltung der Zirkulation notwendig ist.The blowing of the recycled dust into the gasification chamber also leads to the formation of a circulating fluidized bed. As a result, the gas velocity in the fluidized bed and thus the addition of fuel in the gasification process is increased. The disadvantage here, however, is the additional energy required to inject the recycled dust and to maintain the circulation.

Eine weitere Möglichkeit zur Steigerung des Kohlenstoffumsatzgrades ist die Durchführung der Wirbelschichtvergasung bei hohem Druck bis 40 bar und hoher Temperatur bis 1100 °C. Allerdings kommt es dabei durch die im heißen Rohgas mitgeführten Aschen, erstarrten Schlacken sowie Restkoksen der Vergasung regelmäßig zu Hochtemperaturverschmutzung in nachgeschalteten Anlagen, wodurch die weitere Behandlung des Rohgases erschwert wird. Darüber hinaus sind die hohen Temperaturen auch aus energetischer Sicht von Nachteil.Another way to increase the degree of carbon conversion is the implementation of fluidized bed gasification at high pressure up to 40 bar and high temperature up to 1100 ° C. However, it is due to the entrained in the hot raw gas ashes, solidified slags and residual cokes of gasification regularly to high-temperature pollution in downstream systems, making the further treatment of the raw gas is difficult. In addition, the high temperatures are also disadvantageous from an energetic point of view.

Zur Erzeugung der zur Vergasung notwendigen hohen Temperaturen kommt immer häufiger Plasmatechnologie zum Einsatz. Plasmen sind zum Leuchten angeregte Gase, die zumindest teilweise aus freien Ladungsträgern wie Gas-Ionen und Elektronen bestehen. Ein Plasma kann aus jedem Gas durch äußere Energiezufuhr, bspw. beim Anlegen eines starken elektrischen Feldes durch Elektronenstoß-Ionisation, erzeugt werden.To generate the necessary for gasification high temperatures plasma technology is used more and more often. Plasmas are glowing excited gases that are at least partially composed of free charge carriers such as gas ions and electrons. A plasma can be generated from any gas by external energy input, for example when applying a strong electric field by electron impact ionization.

Das Verhältnis von negativen zu positiven Ladungsträgern in einem Plasma entspricht dem des ursprünglichen Gases und beträgt etwa 1. Ein Plasma ist somit insgesamt quasi-neutral, lokal sind jedoch freie Ladungsträger sowie Radikale vorhanden. Aufgrund dieser hohen Konzentrationen hochreaktiver Molekülbruchstücke besitzen Plasmen katalytische Eigenschaften. Chemische Reaktionen werden zudem durch die extrem hohen Temperaturen von mehreren Tausend °C im Inneren eines Plasmas begünstigt.The ratio of negative to positive charge carriers in a plasma corresponds to that of the original gas and is about 1. A plasma is thus quasi-neutral overall, but locally there are free charge carriers and radicals. Because of these high concentrations of highly reactive molecular fragments, plasmas have catalytic properties. Chemical reactions are also favored by the extremely high temperatures of several thousand ° C inside a plasma.

Aus dem Stand der Technik sind daher bereits Verfahren und Vorrichtungen zur Vergasung kohlenstoffhaltiger Stoffe unter Verwendung von Plasmen bekannt.Therefore, methods and devices for the gasification of carbonaceous substances using plasmas are already known from the prior art.

US 2007/0196 249 A1 beschreibt einen Vergasungsreaktor, unter anderem zur Vergasung eines partikelförmigen Feststoffs mit einem oder mehreren Reaktionsgasen. Das oder die Reaktionsgase werden dabei durch ein Bodenventil sowie durch ein oder mehrere tangential in der Reaktorwand angeordnete Düsen in das Innere des Reaktors eingeleitet. Durch die Überlagerung der axialen und der peripheren Gasströmungen entsteht eine Wirbelströmung im Reaktionsraum. Der Energieeintrag zur Zündung der Vergasungsreaktionen erfolgt durch ein Plasma, das zwischen einer zentral angeordneten Elektrode und dem kegelförmigen Reaktormantel gezündet wird. Dieses Plasma breitet sich im Reaktorraum in Form eines Gliding Arcs aus. Dabei wird ein Lichtbogen, durch den Strömungsdruck der axialen Gasströmung in deren Strömungsrichtung mitbewegt. Während dieser Bewegung kommt es aufgrund der speziellen Ausformung der zentralen Elektrode zu einer Streckung des Lichtbogens, die mit einer Erhöhung des von diesem zu überwindenden elektrischen Widerstands einhergeht. Hat der Widerstand eine bestimmte Höhe erreicht, erlischt der gestreckte Lichtbogen im oberen Teil des Reaktors, während im unteren Teil, im schmalen Spalt zwischen Elektrode und Reaktormantel, eine neue Plasmaentladung zündet. US 2007/0196249 A1 describes a gasification reactor, inter alia, for the gasification of a particulate solid with one or more reaction gases. The reaction gas or gases are introduced into the interior of the reactor through a bottom valve and through one or more nozzles arranged tangentially in the reactor wall. The superimposition of the axial and peripheral gas flows creates a vortex flow in the reaction space. The energy input to ignite the gasification reactions is carried out by a plasma which is ignited between a centrally disposed electrode and the conical reactor jacket. This plasma spreads in the reactor space in the form of a gliding arc. In this case, an arc, moved by the flow pressure of the axial gas flow in the flow direction. During this movement, due to the special shape of the central electrode, the arc stretches, which increases with an increase in the latter electrical resistance goes along. When the resistance reaches a certain level, the extended arc in the upper part of the reactor goes out, while in the lower part, in the narrow gap between the electrode and the reactor jacket, a new plasma discharge ignites.

FR 2 888 461 A1 offenbart eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Plasmas in einem Multi-Fuel-Reformer. Ziel der Vorrichtung ist dabei das Gasreforming, insbesondere die Erzeugung von Synthesegas aus gasförmigen Ausgangstoffen. Es werden in der Schrift verschiedene bevorzugte Ausgestaltungen der Vorrichtung beschrieben, wobei in einer ersten Ausgestaltung die zentrale Elektrode einen auf die Innenseite der Reaktionskammer ausgerichteten Draht aufweist sowie drehbar gelagert ist. Durch die Drehung dieser Elektrode wird zwischen einzelnen an der Innenwand des Reaktors angebrachten Elektroden und dem Draht sukzessive ein Lichtbogen gezündet. In einer zweiten bevorzugten Ausgestaltung der Vorrichtung wird auf bewegliche Teile verzichtet und die Zündung des Plasmas elektronisch ausgelöst. Die Schrift offenbart weiterhin die Möglichkeit, die peripheren Elektroden schraubenförmig an der Reaktorwand anzubringen. FR 2 888 461 A1 discloses an apparatus for generating a plasma in a multi-fuel reformer. The aim of the device is the gas reforming, in particular the production of synthesis gas from gaseous starting materials. Various preferred embodiments of the device are described in the document, wherein, in a first embodiment, the central electrode has a wire aligned with the inside of the reaction chamber and is rotatably mounted. As a result of the rotation of this electrode, an arc is successively ignited between individual electrodes attached to the inner wall of the reactor and the wire. In a second preferred embodiment of the device is dispensed with moving parts and triggered the ignition of the plasma electronically. The document further discloses the possibility of helically attaching the peripheral electrodes to the reactor wall.

US 7 622 693 B2 beschreibt eine Vorrichtung, bei der ein Plasma mit einer Strahlmühle kombiniert wird. Die Vorrichtung ist zur Feinstzerkleinerung, Reaktion und Trennung von Ausgangsmaterialien bestimmt. US Pat. No. 7,622,693 B2 describes a device in which a plasma is combined with a jet mill. The device is intended for fine crushing, reaction and separation of starting materials.

WO 2006/ 081 661 A1 beschreibt einen Prozess zur Vergasung von Kohle sowie zur Umwandlung der Asche in eine glasartige Schlacke. In dem zweistufigen Flugstromvergasungsverfahren wird die Reaktion zwischen staubförmiger Kohle als Vergasungsmittel und dem Vergasungsstoff Sauerstoff mittels Plasmafackeln ausgelöst. Diese leiten außerhalb des Vergasungsraumes erzeugtes, extrem heißes Plasma in diesen hinein. Dadurch kommt es zur Vergasung in der mittelbaren Umgebung der Plasmafackeln. In einem zweiten Verfahrensschritt werden die Produktgase in eine Reformationszone geleitet und dort mit Wasserdampf kontaktiert. Dadurch sollen eine bessere Durchmischung, ein Ausgleich der Temperatur sowie der Fortgang der Vergasungsreaktionen bewirkt werden. In einer Schmelzzone wird die entstandene Asche mit einer Plasmafackel zu einer Schlacke geschmolzen. WO 2006/081 661 A1 describes a process for gasifying coal and converting the ash into a glassy slag. In the two-stage entrained flow gasification process, the reaction between pulverized coal as gasification agent and the gasification substance oxygen is triggered by means of plasma torches. These lead into the outside of the gasification chamber generated, extremely hot plasma into this. This leads to gasification in the indirect environment of the plasma torches. In a second process step, the product gases are passed into a reforming zone where they are contacted with water vapor. Thereby, a better mixing, a compensation of the temperature and the progress of the gasification reactions are to be effected. In a melting zone, the resulting ash is melted with a plasma torch to a slag.

Die US 4 472 172 A offenbart ein mehrstufiges Verfahren zur Vergasung von Kohle in einem Flugstromvergaser. Dabei wird eine Mischung aus pulverisierter staubförmiger Kohle als Vergasungsstoff und dem Vergasungsmittel Dampf im Flugstromvergaser durch ein statisches elektrisches Feld geleitet. Dabei kommt es insbesondere zur Ionisation des Vergasungsmittels, zur Fragmentierung der Kohlepartikel in Kohlestaub sowie zur teilweisen Vergasung des Vergasungsstoffs. Um eine vollständigere Vergasung des Vergasungsstoffs zu erreichen, ist es notwendig den Kohlestaub in einem zweiten Verfahrensschritt mit erhitztem Wasserdampf zu kontaktieren.The US 4,472,172 A. discloses a multi-stage process for the gasification of coal in an entrained flow gasifier. In this case, a mixture of pulverized pulverized coal as a gasification material and the gasification agent steam in the entrained flow gasifier is passed through a static electric field. In particular, it comes to the ionization of the gasification agent, the fragmentation of the coal particles in coal dust and the partial gasification of the gasification substance. In order to achieve a more complete gasification of the gasification substance, it is necessary to contact the coal dust in a second process step with heated water vapor.

In der US 6 200 430 B1 werden ein mehrstufiges Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung von Synthesegas in einem Flugstromvergasungsverfahren beschrieben, wobei verschiedene Ausgangsstoffe in vorzugsweise flüssiger Form durch Injektion in eine spezielle Elektrodenanordnung miteinander zur Reaktion gebracht werden. Die Elektrodenanordnung besteht aus einer beweglichen stabförmigen Elektrode, die auf der Mittelachse einer fixierten hohlzylinderförmigen Elektrode verschiebbar angeordnet ist. Aufgrund der beweglichen Teile wäre eine derartige Konstruktion für großtechnische Anlagen eher ungeeignet. In der hohlzylinderförmigen Elektrode wird in einem ersten Verfahrensschritt mit einem Primärfluid, bestehend aus Edelgasen, ein rotierendes Plasma erzeugt. In dieses rotierende Plasma werden anschließend nacheinander ein kohlenstoffhaltiges Sekundärfluid sowie ein Tertiärgas, insbesondere Wasserdampf, Kohlendioxid-Luft-Gemisch oder Luft, eingeführt und miteinander zur Reaktion gebracht. Dabei kommt es zur Bildung von Synthesegas und Asche.In the US 6 200 430 B1 describe a multi-stage process and apparatus for producing synthesis gas in an entrainment gasification process wherein various starting materials are reacted in preferably liquid form by injection into a particular electrode arrangement. The electrode assembly consists of a movable rod-shaped electrode, which is arranged displaceably on the central axis of a fixed hollow cylindrical electrode. Due to the moving parts such a construction would be rather unsuitable for large-scale installations. In the hollow cylindrical electrode, a rotating plasma is generated in a first process step with a primary fluid consisting of noble gases. Subsequently, a carbon-containing secondary fluid and a tertiary gas, in particular water vapor, carbon dioxide-air mixture or air, are introduced into this rotating plasma in succession and reacted with one another. This leads to the formation of synthesis gas and ash.

Mit der WO 2009/ 058 626 A1 wird ein Flugstromvergasungsreaktor offenbart. In diesem erfolgt die Vergasung eines kohlenstoffhaltigen Vergasungsstoffs mit dem Vergasungsmittel Sauerstoff mittels einer stationären Hochtemperatur-Plasmaschnur zwischen der Ober- und Unterseite des Reaktors. Die Anoden- bzw. Kathoden zur Erzeugung der stationären Plasmaschnur befinden sich somit an der Ober- und Unterseite des Reaktors. Das Plasma füllt somit lediglich einen gleichbleibenden begrenzten Teilbereich des Vergasungsreaktors aus. Am Boden des Reaktors ist ein Bad aus geschmolzenem Metall vorgesehen, in dem sich die während des Verfahrens zu Schlacke geschmolzene Asche sammelt.With the WO 2009/058 626 A1 an entrainment gasification reactor is disclosed. In this gasification of a carbonaceous gasification substance with the gasification agent oxygen is carried out by means of a stationary high-temperature plasma arc between the top and bottom of the reactor. The anode or cathode for generating the stationary plasma arc are thus located at the top and bottom of the reactor. The plasma thus fills only a constant limited portion of the gasification reactor. At the bottom of the reactor there is provided a bath of molten metal in which the ash melted into slag during the process collects.

Die WO 2003/ 018 721 A1 beschreibt eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Plasma-Pyrolyse, Vergasung und Verglasung von organischem Material. Dabei wird kohlenstoffhaltiger Müll bzw. kohlenstoffhaltige Biomasse als Vergasungsstoff mit Sauerstoff oder Sauerstoff-angereicherter Luft als Vergasungsmittel durch eine Vielzahl von Plasmafackeln zur Reaktion gebracht. Die Plasmafackeln sind an verschiedenen Stellen in verschiedenen Höhen des Reaktors angebracht, um so möglichst gleichmäßig Energie in den Reaktor einzubringen. Die Vergasung bzw. Pyrolyse des Vergasungsstoffs findet dabei auf einer Schicht kohlenstoffhaltigen Katalysators statt. Weiterhin werden Kalk sowie Silikate zur Unterstützung der Verflüssigung der anorganischen und metallischen Bestandteile des Ausgangsmaterials kontrolliert in den Reaktor eingebracht.The WO 2003/018 721 A1 describes an apparatus and method for plasma pyrolysis, gasification and vitrification of organic material. In this case, carbonaceous waste or carbon-containing biomass is brought as a gasification substance with oxygen or oxygen-enriched air as a gasifying agent by a plurality of plasma torches for reaction. The plasma torches are mounted at different positions at different heights of the reactor so as to introduce as evenly as possible energy into the reactor. The gasification or pyrolysis of the gasification substance takes place on a layer of carbon-containing catalyst. Furthermore, lime and silicates to support the liquefaction of inorganic and metallic constituents of the starting material are introduced into the reactor in a controlled manner.

In der WO 2009/ 139 894 A1 wird eine Vorrichtung zur vierstufigen Vergasung organischen Materials offenbart. Dabei wird in einer ersten Stufe kohlenstoffhaltiger Vergasungsstoff in einem Flugstromverfahren mit Vergasungsmitteln, vorrangig Sauerstoff und Wasserdampf, zu einem Primärsynthesegas vergast. In den folgenden Stufen werden die Vergasungsreaktionen gezielt fortgeführt, indem in der zweiten Stufe bestimmte Fluide zum Primärsynthesegas zugegeben werden und in der dritten Stufe eine gezielte Durchmischung durch die Beschleunigung des Synthesegases erfolgt. In der vierten Stufe wird das Synthesegas in eine zylinderförmige Kammer mit reflektierenden Innenwänden eingeleitet. Entlang der Mittelachse dieser Kammer wird zwischen zwei Elektroden eine Plasmaschnur gezündet. Die von dieser Plasmaschnur ausgesandte und von den Innenwänden reflektierte Wärmestrahlung wird vorrangig von dem Vergasungsstoff absorbiert. Dadurch erwärmt sich der Vergasungsstoff, was weitere Vergasungsreaktionen begünstigt.In the WO 2009/139 894 A1 a device for the four-stage gasification of organic material is disclosed. Here, in a first stage carbonaceous gasification material is gasified in an air flow process with gasification agents, primarily oxygen and water vapor, to a primary synthesis gas. In the following stages, the gasification reactions are deliberately continued by the addition of certain fluids to the primary synthesis gas in the second stage and, in the third stage, thorough mixing by the acceleration of the synthesis gas. In the fourth stage, the synthesis gas is introduced into a cylindrical chamber with reflective inner walls. Along the central axis of this chamber, a plasma arc is ignited between two electrodes. The heat radiation emitted by this plasma and reflected by the inner walls is primarily absorbed by the gasification substance. As a result, the gasification material is heated, which favors further gasification reactions.

Bei der Nutzung von Plasmatechnologie zur Vergasung kohlenstoffhaltiger Feststoffe besteht bislang die Schwierigkeit einen effektiven Energieeintrag in Vergasungsstoff und -mittel zu realisieren.The use of plasma technology for the gasification of carbonaceous solids so far has the difficulty to realize an effective energy input in gasification substance and agent.

In gängigen Verfahren und Vorrichtungen werden häufig Plasmafackeln verwendet, mit denen extern erzeugtes Plasma in den Vergasungsreaktor injiziert wird. Dieses Plasma vermischt sich mit Vergasungsstoff und Vergasungsmitteln und liefert so die für die Vergasungsreaktionen benötigte Energie und stellt gegebenenfalls als Vergasungsmittel Reaktionspartner zur Verfügung. Um ausreichend Energie möglichst gleichmäßig in die Vergasungszone einzubringen werden meist mehrere Plasmafackeln verwendet. Allerdings hängt auch dann ein gleichmäßiger Energieeintrag in Vergasungsstoff und -mittel stark von der Durchmischung im Vergasungsreaktor ab. Insbesondere bei nicht staubförmigen Vergasungsstoffen ist ein gleichmäßiger Energieeintrag in Vergasungsstoff und -mittel mit Plasmafackeln nur schwer zu realisieren.Common methods and devices often use plasma torches to inject externally generated plasma into the gasification reactor. This plasma mixes with gasification agent and gasification agents and thus provides the energy required for the gasification reactions and optionally provides reactants as a gasifying agent. In order to introduce sufficient energy as evenly as possible into the gasification zone, several plasma torches are usually used. However, even then a uniform input of energy in the gasification agent and agent depends strongly on the mixing in the gasification reactor. Especially in the case of non-dusty gasification substances, it is difficult to realize a uniform energy input into gasification substance and agent with plasma torches.

Aus dem Stand der Technik sind auch Verfahren und Vorrichtungen bekannt, bei denen ein Plasma direkt im Vergasungsreaktor erzeugt wird. Dabei werden die Plasmen in der Regel lokal, d. h. in bestimmten Raumbereichen erzeugt. Auch hier hängt ein gleichmäßiger Energieeintrag in Vergasungsstoff und -mittel stark von der Durchmischung im Vergasungsreaktor ab. Zur Vermischung des in bestimmten Raumbereichen erzeugten Plasmas mit dem restlichen im Vergasungsreaktor befindlichen Vergasungsmittel und -stoff sind in der Regel zusätzliche Prozessschritte vorgesehen, weshalb bekannte Verfahren in der Regel mehrstufig konzipiert sind. Daraus resultiert in der Regel zusätzlicher apparativer Aufwand sowie längere Verfahrensdauern.From the prior art, methods and devices are known in which a plasma is generated directly in the gasification reactor. The plasmas are usually local, d. H. generated in certain areas of space. Here, too, a uniform input of energy into the gasification substance and agent depends strongly on the mixing in the gasification reactor. For mixing the plasma generated in certain areas of the room with the rest of the gasification agent and gas present in the gasification reactor additional process steps are usually provided, which is why known methods are usually designed in several stages. This usually results in additional expenditure on equipment and longer process times.

Bei Verfahren nach dem Stand der Technik reicht somit der allein durch das Plasma erzeugte Energieeintrag in Vergasungsstoff und -mittel für einen effektiven Ablauf der Vergasungsreaktionen nicht aus. Um diesen Mangel zu beheben, wird in bekannten Verfahren häufig Sauerstoff in den Vergasungsreaktor eingeleitet, was zu der teilweisen Oxidation des Vergasungsstoffes führt. Dabei wird, unter Abgabe von Kohlendioxid, für die Vergasungsreaktionen nutzbare Energie freigesetzt. Der oxidierte Teil des Vergasungsstoffes steht jedoch für die Erzeugung energiereicher Synthesegase nicht mehr zur Verfügung.In the case of methods according to the prior art, the energy input into the gasification substance and agent produced solely by the plasma is therefore insufficient for an effective sequence of the gasification reactions. In order to remedy this deficiency, oxygen is often introduced into the gasification reactor in known processes, which leads to the partial oxidation of the gasification substance. In doing so, usable energy is released for the gasification reactions with the release of carbon dioxide. However, the oxidized part of the gasification substance is no longer available for the production of high-energy synthesis gases.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, ein Vergasungsverfahren sowie eine Vergasungsvorrichtung vorzuschlagen, die die Vergasung kohlenstoffhaltiger Vergasungsstoffe mit CO₂ und Wasserdampf und deren Gemische erlauben.The object of the invention is therefore to propose a gasification process and a gasification device, which allow the gasification of carbonaceous gasification substances with CO ₂ and water vapor and mixtures thereof.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur Vergasung kohlenstoffhaltiger fester Stoffe in einem Wirbelschichtvergasungsreaktor, wobei ein Vergasungsmittel, das Kohlendioxid und/oder Wasserdampf enthält, im unteren Teil des Vergasungsreaktors mittels einer Einspeisungsvorrichtung unter Druck in den Vergasungsreaktor eingeblasen wird, wobei der Vergasungsstoff oberhalb der Wirbelschicht unter Druck in den Vergasungsreaktor eingeführt wird, wobei die Vergasung der Vergasungsstoffe mit den Vergasungsmitteln erfolgt, indem mittels eines in der Wirbelschicht um die Mittelachse des Reaktormantels schrittweise rotierenden Spannungsfeldes diskontinuierlich ein, dem Spannungsfeld folgend schrittweise rotierendes, Plasma gezündet wird, und staubbeladenes Rohgas oberseitig und Bodenprodukt (Asche) unterseitig des Vergasungsreaktors abgezogen wird, gelöst.According to the invention, the object is achieved by a process for the gasification of carbonaceous solids in a fluidized bed gasification reactor, wherein a gasification agent containing carbon dioxide and / or water vapor is injected in the lower part of the gasification reactor by means of a feed device under pressure into the gasification reactor, wherein the gasification material above the fluidized bed is introduced under pressure into the gasification reactor, wherein the gasification of the gasification materials is carried out by means of a stepwise rotating in the fluidized bed around the central axis of the reactor shell voltage field is a discontinuous, the voltage field following stepwise rotating plasma ignited, and dust-laden raw gas on the top and Bottom product (ash) is removed from the bottom of the gasification reactor dissolved.

Dabei wird das Vergasungsmittelgemisch über eine Einspeisungsvorrichtung für das Vergasungsmittel unter Druck und mit einer definierten Rate in den unteren Teil des Vergasungsreaktors eingeführt. Dieses Vergasungsmittel strömt aufgrund des Einspeisungsdrucks sowie seiner Dichte im Vergasungsreaktor nach oben. Abhängig von der Gestaltung der Einspeisungsvorrichtung und der Strömungsgeschwindigkeit des Vergasungsmittels ergibt sich ein definiertes Strömungsprofil des Vergasungsmittelgemischs oberhalb der Einspeisungsvorrichtung.In this case, the gasification mixture is introduced via a feed device for the gasification agent under pressure and at a defined rate in the lower part of the gasification reactor. This gasification agent flows upwards due to the feed pressure and its density in the gasification reactor. Depending on the design of the feed device and the flow rate of the gasification agent, a defined flow profile of the gasification mixture mixture results above the feed device.

Der Vergasungsstoff, insbesondere ein kohlenstoffhaltiger Stoff, wird oberhalb der Einspeisungsvorrichtung für das Vergasungsmittel über eine Einspeisungsvorrichtung für den Vergasungsstoff unter Druck in den Vergasungsreaktor eingebracht. Im Vergasungsreaktor fällt der Vergasungsstoff nach unten, bis er auf das nach oben strömende Vergasungsmittel trifft.The gasification material, in particular a carbonaceous substance, is above the feed device for the gasification agent via a feed device for the gasification material introduced under pressure into the gasification reactor. In the gasification reactor, the gasification material drops down until it encounters the upwardly flowing gasification agent.

Aufgrund der Verwendung einer geeigneten Größenfraktion des Vergasungsstoffes, ist der Strömungsdruck in dem Strömungsprofil des Vergasungsmittels ausreichend, um eine Wirbelschicht aus Vergasungsstoff und Vergasungsmittel zu erzeugen. In der Wirbelschicht kommt es zu einer intensiven Durchmischung von Vergasungsmittel und Vergasungsstoff.Due to the use of a suitable size fraction of the gasification material, the flow pressure in the flow profile of the gasification agent is sufficient to produce a fluidized bed of gasification material and gasification agent. In the fluidized bed there is an intensive mixing of gasification agent and gasification substance.

In der Wirbelschicht wird ein schrittweise um die Mittelachse des Reaktormantels rotierendes elektrisches Spannungsfeld angelegt. Die schrittweise Rotation erfolgt dabei mit einem zumindest zeitweilig konstantem Richtungssinn. Somit liegen hohe elektrische Feldenergien nacheinander in verschiedenen begrenzten Raumgebieten des Vergasungsreaktors vor.In the fluidized bed, a voltage step around the central axis of the reactor shell rotating voltage field is applied. The stepwise rotation takes place with an at least temporarily constant sense of direction. Thus, high electric field energies are present successively in different limited space regions of the gasification reactor.

Das Anlegen des schrittweise um die Mittelachse des Reaktormantels rotierenden Spannungsfeldes führt zur diskontinuierlichen Zündung eines schrittweise um die Mittelachse des Reaktormantels rotierenden Plasmas. Dadurch kommt es zu einer starken Erwärmung des Vergasungsmittels in dem von einem starken elektrischen Feld erfüllten sowie angrenzenden Raumbereichen. Darüber hinaus liegt das Vergasungsmittel dort in dissoziierter bzw. ionisierter und somit hochreaktiver Form vor. Eine Erhitzung des Vergasungsstoffs in dem von einem starken elektrischen Feld erfüllten sowie angrenzenden Raumbereichen erfolgt vorrangig durch Widerstandserwärmung sowie durch Absorption von Wärmestrahlung.The application of the voltage field rotating incrementally about the central axis of the reactor jacket results in the discontinuous ignition of a plasma rotating stepwise about the central axis of the reactor jacket. This leads to a strong heating of the gasification agent in the area filled by a strong electric field and adjacent areas. In addition, the gasification agent is there in dissociated or ionized and thus highly reactive form. A heating of the gasification substance in the space area which is filled by a strong electric field and adjoins it occurs primarily by resistance heating as well as by absorption of heat radiation.

Zumindest in den von einem ausreichend hohen elektrischen Spannungsfeldes ausgefüllten Raumbereichen kommt es somit zum spontanen Ablauf der endothermen Vergasungsreaktionen, insbesondere der Wassergas- und Boudouardreaktion. Bei ersterer reagiert Kohlenstoff mit Wasserdampf zu Wassergas, einer Mischung aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff. In der Boudouardreaktion wird Kohlenmonoxid aus Kohlendioxid und Kohlenstoff synthetisiert.Thus, at least in the space regions filled by a sufficiently high voltage field, the endothermic gasification reactions take place spontaneously, in particular the water gas and Boudouard reactions. In the former, carbon reacts with water vapor to produce water gas, a mixture of carbon monoxide and hydrogen. In the Boudouard reaction, carbon monoxide is synthesized from carbon dioxide and carbon.

Bei dieser Vergasung von Vergasungsstoff und Vergasungsmittel entstehen staubbeladene Rohgase sowie Aschepartikel. Können die Aschepartikel nicht mehr in der Wirbelschicht gehalten werden, fallen sie als Bodenprodukt durch diese hindurch auf den Boden des Reaktors. Erfindungsgemäß wird dieses Bodenprodukt mittels eines Ascheaustrags aus dem Vergasungsreaktor entfernt.In this gasification of gasification agent and gasification agent arise dust-laden raw gases and ash particles. If the ash particles can no longer be kept in the fluidized bed, they fall as a bottoms product through them to the bottom of the reactor. According to the invention, this bottoms product is removed from the gasification reactor by means of an ash discharge.

Die in den Vergasungsreaktionen entstehenden staubbeladenen Rohgase strömen im Vergasungsreaktor nach oben. Durch eine Vergrößerung der Querschnittfläche des Reaktors in dessen oberem Teil kommt es dabei zu einer Verringerung der Strömungsgeschwindigkeit der Rohgase. Somit können weniger Aschepartikel in der Schwebe gehalten werden und fallen zurück in die Wirbelschicht um weiter an den Vergasungsreaktionen teilzunehmen. Das Rohgas selbst strömt weiter nach oben und wird durch einen Rohgasabzug an der Oberseite des Reaktors abgezogen.The dust-laden raw gases produced in the gasification reactions flow upwards in the gasification reactor. By increasing the cross-sectional area of the reactor in its upper part, there is a reduction in the flow rate of the raw gases. Thus, less ash particles can be kept floating and fall back into the fluidized bed to further participate in the gasification reactions. The raw gas itself continues to flow upwards and is withdrawn through a crude gas outlet at the top of the reactor.

Auf das in der Wirbelschicht befindliche Vergasungsmittel, insbesondere auf das Kohlendioxid und den Wasserdampf, hat das elektrische Feld eine ionisierende Wirkung. Ist die Feldstärke des elektrischen Feldes ausreichend hoch, kommt es zu einer Zerlegung der elektrisch neutralen Gasmoleküle in ionisierte Molekülbruchstücke. Entsprechend ihrer Ladung werden diese Molekülbruchstücke im elektrischen Feld beschleunigt. Insbesondere durch die Beschleunigung von einzelnen Elektronen kommt es dabei in begrenzten Raumbereichen im Gas zu einer Elektronenstoßionisation mit Lawineneffekt und der Ausbildung eines Plasmas.On the present in the fluidized bed gasification agent, in particular on the carbon dioxide and water vapor, the electric field has an ionizing effect. If the field strength of the electric field is sufficiently high, a decomposition of the electrically neutral gas molecules into ionized molecular fragments occurs. According to their charge, these molecular fragments are accelerated in the electric field. In particular, by the acceleration of individual electrons it comes in limited space regions in the gas to an electron impact ionization with avalanche effect and the formation of a plasma.

Aufgrund der großen Leitfähigkeitsunterschiede zwischen Kohle und Luft erfolgt der Stromfluss im Vergasungsraum vor Allem durch die Partikel des Vergasungsstoffs. Dies führt dazu, dass die Stoßionisation des Gases und somit auch die Plasmabildung zuerst zwischen den Partikeln erfolgen. Die Zündung des Plasmas erfolgt dabei diskontinuierlich, in den zeitweilig von dem, schrittweise um die Mittelachse des Reaktormantels rotierendem, Spannungsfeld erfüllten Raumbereichen. Besonderes in diesen Raumbereichen kommt es dabei zu einer starken Erhitzung des Vergasungsmittelgemischs.Due to the large difference in conductivity between coal and air, the flow of electricity in the gasification space is primarily due to the particles of the gasification substance. This leads to the fact that the impact ionization of the gas and thus also the plasma formation first occur between the particles. The ignition of the plasma takes place discontinuously, in the temporarily filled by the step field around the central axis of the reactor shell rotating, field of tension filled space. Especially in these areas, there is a strong heating of the gasification mixture.

In Plasmaform besteht das Vergasungsmittel zum größten Teil aus freien Ladungsträgern, ist somit elektrisch leitend und ermöglicht dadurch den Stromfluss der Entladung. Aufgrund ihrer geringeren Masse im Vergleich zu den Gas-Ionen sind für den Stromfluss vorrangig Elektronen verantwortlich. Bei der Entladung kann es zur Bildung eines Licht ausstrahlenden Plasmas bzw. eines Lichtbogens kommen. Dabei steigt insbesondere in den von dem Lichtbogen erfüllten Raumbereichen Druck und Temperatur der Gase stark an. Typisch sind Temperaturen zwischen 5.000 K und 50.000 K im Inneren eines Plasmas. Aufgrund der Emission von Licht wird von dem Lichtbogen darüber hinaus Strahlungswärme in die umgebenden Raumbereiche emittiert.In plasma form, the gasification agent consists for the most part of free charge carriers, is thus electrically conductive and thereby enables the current flow of the discharge. Due to their lower mass compared to the gas ions, electrons are responsible for the current flow. Discharge may cause the formation of a light-emitting plasma or an arc. In this case, pressure and temperature of the gases increase sharply, in particular in the space regions filled by the arc. Typical temperatures are between 5,000 K and 50,000 K inside a plasma. Due to the emission of light, radiant heat is also emitted by the arc into the surrounding space regions.

Auf den in der Wirbelschicht befindlichen Vergasungsstoff hat das zwischen den Elektroden angelegte elektrische Feld eine insbesondere polarisierende Wirkung. Dies resultiert insbesondere aus der hohen Leitfähigkeit der kohlenstoffhaltigen Partikel. Dabei kommt es zu einer Verschiebung freier Ladungsträger in den kohlenstoffhaltigen Partikeln und somit sowohl zu einem Stromfluss in deren Innerem als auch zur Ansammlung von Ladung an deren Oberfläche. Dadurch entsteht ein großer Gradient des elektrischen Feldes zwischen den Partikeln, wodurch in diesen Raumbereichen zuerst die Zündung von Plasmen erfolgt und Lichtbögen ausgebildet werden.On the gasification material located in the fluidized bed, the applied between the electrodes electric field has a particular polarizing effect. This results in particular from the high conductivity of the carbonaceous particles. This results in a shift of free charge carriers in the carbonaceous particles and thus both to a flow of current in their interior as well as the accumulation of charge on the surface. This results in a large gradient of the electric field between the particles, which causes the ignition of plasmas and arcs to be formed in these regions of the room first.

Durch den Stromfluss im Inneren der Partikel heizen sich diese aufgrund von Widerstandserwärmung stark auf. Eine weitere Erhitzung der Partikel erfolgt durch die Absorption der von dem Plasma emittierten Strahlung, wobei die kohlenstoffhaltigen Partikel einen wesentlich größeren Absorptionsquerschnitt für diese Strahlung als die Gasteilchen aufweisen. Aufgrund der Polarisation der Partikel sowie der dielektrischen Verschiebung kann es zudem zu einer durch das elektro-magnetische Feld vermittelten Kraftwirkung auf die Partikel kommen.Due to the flow of current inside the particles, they heat up due to resistance heating. Further heating of the particles takes place by absorption of the radiation emitted by the plasma, the carbonaceous particles having a substantially larger absorption cross section for this radiation than the gas particles. Due to the polarization of the particles and the dielectric displacement, it can also lead to a mediated by the electromagnetic field force on the particles.

Das schrittweise um die Mittelachse des Reaktormantels rotierende Spannungsfeld wird mittels einer Elektrodenanordnung erzeugt. Diese Elektrodenanordnung besteht aus einer zentral angeordneten Kathode sowie einer Vielzahl an der Innenseite der Reaktorwand angeordneten Anoden, die in ihrer Gesamtheit einen segmentierten Anodenring bilden. The voltage field rotating stepwise about the central axis of the reactor shell is generated by means of an electrode arrangement. This electrode arrangement consists of a centrally arranged cathode and a plurality of anodes arranged on the inside of the reactor wall, which in their entirety form a segmented anode ring.

Mittels einer mit den einzelnen Anoden über Stromregler verbundenen Steuerungseinrichtung, einschließlich Spannungsquelle, können unterschiedliche starke elektrische Spannungen zwischen der Kathode und den einzelnen Anoden angelegt werden.By means of a control device connected to the individual anodes via current regulators, including the voltage source, different strong electrical voltages can be applied between the cathode and the individual anodes.

Beim Anlegen einer Spannung zwischen der Kathode und einer der Anoden baut sich zwischen diesen beiden Elektroden ein elektrisches Feld auf. In dem von diesen elektrischen Feldern erfüllten Raumbereichen des Vergasungsreaktors erstreckt sich erfindungsgemäß, zumindest teilweise, die Wirbelschicht, bestehend aus Vergasungsstoff und Vergasungsmittel.When a voltage is applied between the cathode and one of the anodes, an electric field builds up between these two electrodes. In the space regions of the gasification reactor filled by these electric fields, according to the invention, at least in part, the fluidized bed, consisting of gasification substance and gasification agent, extends.

Mittels der Steuerungseinrichtung, einschließlich Spannungsquelle, die mit den einzelnen Anoden über stromleitende Elemente sowie Stromregler verbunden ist, wird die zwischen der zentralen Kathode und den einzelnen Anoden anliegende Spannung diskontinuierlich moduliert. Dies erfolgt derart, dass eine zur Zündung eines Plasmas bzw. zur Erzeugung eines Lichtbogens ausreichend hohe Spannung nacheinander an verschiedenen Segmenten des Anodenrings angelegt wird.By means of the control device, including voltage source, which is connected to the individual anodes via current-conducting elements and current regulator, the voltage applied between the central cathode and the individual anodes is modulated discontinuously. This is done in such a way that a voltage sufficiently high for igniting a plasma or for generating an arc is applied successively to different segments of the anode ring.

Somit wird im Inneren des Vergasungsreaktors ein diskontinuierliches, zeitlich und räumlich periodisches, insbesondere um die Mittelachse des Vergasungsreaktors schrittweise rotierendes, Spannungsfeld erzeugt. Die Schrittweite der Rotation entspricht dabei dem Abstand zwischen den einzelnen Anoden des segmentierten Anodenrings oder einem Vielfachen davon. Diesem Spannungsfeld folgt ein zeitlich und räumlich periodisches, insbesondere schrittweise um die Mittelachse des Vergasungsreaktors rotierendes Plasma.Thus, in the interior of the gasification reactor, a discontinuous, temporally and spatially periodic, in particular around the center axis of the gasification reactor gradually rotating, stress field is generated. The step size of the rotation corresponds to the distance between the individual anodes of the segmented anode ring or a multiple thereof. This voltage field is followed by a temporally and spatially periodic plasma, in particular gradually rotating around the central axis of the gasification reactor.

Durch das schrittweise rotierende Spannungsfeld sowie dem diesen folgenden Plasma erfolgen die oben genannte Erhitzung bzw. Ionisierung von Vergasungsstoff und Vergasungsmittel diskontinuierlich in weiten Raumbereichen des Vergasungsreaktors. Dabei werden die oben genannten Prozesse nacheinander in den Raumbereichen ausgelöst, in denen das schrittweise um die Mittelachse des Reaktormantels rotierende Spannungsfeld zu dieser Zeit angelegt ist.As a result of the stepwise rotating voltage field and the plasma following this, the abovementioned heating or ionization of gasification substance and gasification agent take place discontinuously in wide spatial regions of the gasification reactor. In this case, the abovementioned processes are triggered one after the other in the spatial regions in which the stress field rotating step by step about the central axis of the reactor jacket is applied at this time.

Darüber hinaus führt die Rotation des Spannungsfelds bzw. des Plasmas zu einer zusätzlichen Durchmischung von Vergasungsstoff und Vergasungsmittel. Zusätzlich liegen bei dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Vielzahl hochreaktiver Molekülbruchstücke, insbesondere Bestandteile des ionisierten Vergasungsmittels bzw. Plasmas, in weiten Teilen des Vergasungsreaktors vor und katalysieren somit die Vergasungsreaktionen.In addition, the rotation of the stress field or of the plasma leads to an additional mixing of gasification substance and gasification agent. In addition, in the method according to the invention a large number of highly reactive molecular fragments, in particular components of the ionized gasification agent or plasma, are present in large parts of the gasification reactor and thus catalyze the gasification reactions.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird somit ein gleichmäßiger Energieeintrag in weite Teile des Vergasungsreaktors und somit die Ausbildung einer sich über diese Raumbereiche erstreckende Vergasungszone, in welcher die endothermen Vergasungsreaktionen, insbesondere Wassergas- und Boudouardreaktion spontan ablaufen, bewirkt. Da durch die Erzeugung des Plasmas das Vergasungsmittel zumindest teilweise in ionisierter, hochreaktiver Form vorliegt, katalysieren diese die Vergasungsreaktionen, insbesondere die Wassergas- und Boudouardreaktion, die dadurch bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen ablaufen. Die Steuerung von Energieeintrag und Temperatur erfolgt dabei über die gezielte Erzeugung des diskontinuierlichen Plasmas, bspw. über die Rotationsgeschwindigkeit des angelegten Spannungsfeldes.The method according to the invention thus effects a uniform introduction of energy into large parts of the gasification reactor and thus the formation of a gasification zone extending over these regions in which the endothermic gasification reactions, in particular the water gas and the Boudouard reaction, take place spontaneously. Since the generation of the plasma, the gasification agent is at least partially in ionized, highly reactive form, these catalyze the gasification reactions, in particular the water gas and Boudouard reaction, which thereby occur at relatively low temperatures. The control of energy input and temperature takes place via the targeted generation of the discontinuous plasma, for example. About the rotational speed of the applied voltage field.

Als Vergasungsmittel wird im erfindungsgemäßen Verfahren ein Gemisch, das Wasserdampf und/oder Kohlendioxid enthält, verwendet. Das Verhältnis von Kohlenstoff und Wasserdampf ist dabei derart, dass das Gemisch aus 0 Vol.-% bis 100 Vol.-% Wasserdampf und 0 Vol.-% bis 100 Vol.-% Kohlendioxid besteht. The gasification agent used in the process according to the invention is a mixture which contains steam and / or carbon dioxide. The ratio of carbon and water vapor is such that the mixture consists of 0 vol .-% to 100 vol .-% of water vapor and 0 vol .-% to 100 vol .-% carbon dioxide.

Als Wasserdampf wird vorzugsweise Sattdampf verwendet.The steam used is preferably saturated steam.

Insbesondere aus verfahrenstechnischen Gründen kommt es erfindungsgemäß auch zum Eintrag von Spuren von Sauerstoff in den Vergasungsreaktor. Die Gesamtkonzentration von Sauerstoff im Vergasungsreaktor liegt dabei jedoch unter 10 Vol.-%. Im erfindungsgemäßen Verfahren werden so bevorzugt mindestens 2,5–3 kg CO₂ pro kg Kohle umgesetzt. In particular, for procedural reasons, it also comes according to the invention for the entry of traces of oxygen in the gasification reactor. However, the total concentration of oxygen in the gasification reactor is less than 10% by volume. In the process according to the invention, preferably at least 2.5-3 kg of CO _{2 are} reacted per kg of coal.

Der zum Ablauf der endothermen Vergasungsreaktionen notwendige Energieeintrag ist beim erfindungsgemäßen Verfahren unabhängig von der Oxidation von Kohlenstoff und somit von der Sauerstoffzufuhr in den Vergasungsreaktor. Somit könne die Vergasungsreaktionen im Vergasungsreaktor nahezu unter Sauerstoffabschluss durchgeführt und die Emissionen von Kohlendioxid minimiert werden.The energy input necessary for the end of the endothermic gasification reactions in the process according to the invention is independent of the oxidation of carbon and thus of the oxygen supply to the gasification reactor. Thus, the gasification reactions in the gasification reactor can be carried out almost under exclusion of oxygen and the emissions of carbon dioxide can be minimized.

Der Vergasungsstoff wird in einer zur Ausbildung einer Wirbelschicht geeigneten Größenfraktion, mit mittleren Korngrößen von 0,1 mm bis 10 mm, bevorzugt 0,5 mm und 7 mm und besonders bevorzugt 1 mm bis 5 mm verwendet.The gasification material is used in a size fraction suitable for forming a fluidized bed, with mean particle sizes of 0.1 mm to 10 mm, preferably 0.5 mm and 7 mm and particularly preferably 1 mm to 5 mm.

Der Vergasungsstoff wird dabei im Vergasungsreaktor mit einer, zur Ausbildung einer Wirbelschicht geeigneten, Feststoffkonzentration von 10 Vol.-% bis 30 Vol.-% verwendet.The gasification substance is used in the gasification reactor with a solids concentration of 10% by volume to 30% by volume which is suitable for forming a fluidized bed.

Das nach oben strömende, mit Feinstaub beladene Rohgas verlässt den Vergasungsreaktor durch einen an der Oberseite des Reaktormantels befindlichen Rohgasaustrag. Dieser ist mit einem Zyklon zur Fliehkraftabscheidung des Feinstaubs aus dem Rohgas verbunden. Nach der Trennung von festen und gasförmigen Bestandteilen im Zyklon wird das Gas seiner weiteren Verwendung bzw. Speicherung zugeführt. Die von dem Rohgas abgetrennten festen Bestandteile werden über eine Rohrleitung zurück in den Vergasungsreaktor, insbesondere zurück in die Wirbelschicht, geleitet. Dort nehmen die rezyklierten kohlenstoffhaltigen Stäube erneut an den Vergasungsreaktionen teil.The upflowing, laden with particulate matter raw gas leaves the gasification reactor through a located at the top of the reactor shell Rohgasaustrag. This is connected to a cyclone for centrifugal separation of fine dust from the raw gas. After the separation of solid and gaseous components in the cyclone, the gas is supplied to its further use or storage. The separated from the crude gas solid components are passed through a pipe back into the gasification reactor, in particular back into the fluidized bed. There, the recycled carbonaceous dusts again participate in the gasification reactions.

In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens passiert das Vergasungsmittel nach der Einspeisung durch die Einspeisungsvorrichtung einen Gasverteilerboden. Dadurch kann das Strömungsprofil des Vergasungsmittels und somit Eigenschaften der Wirbelschicht gezielt eingestellt werden. In einer weiterhin bevorzugten Ausführungsform ist die Einspeisungsvorrichtung für das Vergasungsmittel als Gasverteilerboden ausgeführt. In a preferred embodiment of the method according to the invention, the gasification agent passes through a gas distributor bottom after being fed by the feed device. Thereby, the flow profile of the gasification agent and thus properties of the fluidized bed can be adjusted specifically. In a further preferred embodiment, the feed device for the gasification agent is designed as a gas distributor bottom.

Das Einleiten der rezyklierten Stäube in die Wirbelschicht führt bevorzugt zur Ausbildung einer zirkulierenden Wirbelschicht, in der eine besonders intensive und gleichmäßige Durchmischung von Vergasungsmittel und Vergasungsstoff erfolgt.The introduction of the recycled dusts into the fluidized bed preferably leads to the formation of a circulating fluidized bed in which a particularly intensive and uniform mixing of gasification agent and gasification substance takes place.

In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens kommt es aufgrund der starken Erhitzung der kohlenstoffhaltigen Partikel darüber hinaus zur Verdampfung der in den Partikeln befindlichen flüchtigen Stoffe. Dies hat eine Fragmentierung der Partikel selbst zur Folge, wodurch sich deren Reaktionsoberfläche vergrößert und oben genannte Vergasungsreaktionen verstärkt ablaufen.In a preferred embodiment of the method, the volatiles present in the particles moreover evaporate due to the strong heating of the carbon-containing particles. This results in a fragmentation of the particles themselves, which increases their reaction surface and above-mentioned gasification reactions occur more intensively.

In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens werden eine weitere Durchmischung und ein gleichmäßiger Energieeintrag im Vergasungsreaktor aufgrund der Rotation des Spannungsfelds bzw. des Lichtbogens erreicht, da dieser Rotation folgende Druck- und Temperatur-Inhomogenitäten im Inneren des Vergasungsreaktors entstehen. Die dadurch ausgelösten Ausgleichströmungen in der Wirbelschicht sorgen für eine zusätzliche Vermischung von Vergasungsstoff und Vergasungsmittel sowie von erhitzen und nicht erhitzen bzw. ionisierten und nicht ionisierten Reaktanden.In a preferred embodiment of the method, a further thorough mixing and a uniform energy input in the gasification reactor are achieved due to the rotation of the stress field or of the arc, since this rotation produces the following pressure and temperature inhomogeneities in the interior of the gasification reactor. The resulting equilibrium flows in the fluidized bed provide additional mixing of gasification material and gasification agent as well as heating and non-heating or ionized and non-ionized reactants.

Im erfindungsgemäßen Verfahren kommt es aufgrund der diskontinuierlichen Veränderung des elektrischen Feldes aber auch aufgrund lokaler Ströme bevorzugt zur Bildung magnetischer Felder im Inneren des Vergasungsreaktors. Alle im Vergasungsreaktor befindlichen elektrisch geladenen Partikel, insbesondere die ionisierten Bestandteile des Plasmas sowie die polarisierten Vergasungsstoffpartikel, erfahren eine Ablenkung durch diese elektro-magnetischen Felder. In the method according to the invention, due to the discontinuous change of the electric field but also due to local currents, magnetic fields are preferably formed inside the gasification reactor. All in the gasification reactor electrically charged particles, in particular the ionized components of the plasma and the polarized Vergasungsstoffpartikel undergo a deflection by these electro-magnetic fields.

Bevorzugt wird staubförmiges Vergasungsmittel, insbesondere sehr feinkörnige Aschen, durch die Ablenkung in den elektro-magnetischen Feldern länger in der Vergasungszone des Vergasungsreaktors gehalten. Dadurch wird die Staubbeladung der abgezogenen Rohgase minimiert und der Kohlenstoff-Umsatzgrad erhöht. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist der Anteil sehr feinkörniger Aschen im abgezogenen Rohgas derart gering, dass eine externe Nachverbrennung unnötig ist.Preference is given to dust-like gasification agent, in particular very fine-grained ashes, kept longer in the gasification zone of the gasification reactor by the deflection in the electro-magnetic fields. As a result, the dust loading of the raw gases withdrawn is minimized and the degree of carbon conversion is increased. In a particularly preferred embodiment, the proportion of very fine-grained ashes in the withdrawn raw gas is so low that an external afterburning is unnecessary.

In einer weiterhin bevorzugten Ausführungsform erfolgt die Beschleunigung aller im Vergasungsreaktor befindlichen elektrisch geladenen Partikel in den elektro-magnetischen Feldern derart, dass dadurch die Ausbildung einer zirkulierenden Wirbelschicht begünstigt wird.In a further preferred embodiment, the acceleration of all present in the gasification reactor electrically charged particles in the electro-magnetic fields in such a way that thereby the formation of a circulating fluidized bed is favored.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens kommt ein Vergasungsreaktor, umfassend:
einen von einem Reaktormantel umschlossenen Vergasungsraum, eine im unteren Teil des Vergasungsreaktors angeordnete Einspeisungsvorrichtung für das Vergasungsmittel sowie eine darüber befindlichen Einspeisungsvorrichtung für den Vergasungsstoff, eine zwischen der Einspeisungsvorrichtung für den Vergasungsstoff und der Einspeisungsvorrichtung für das Vergasungsmittel und dem Gasverteilerboden befindliche Elektrodenanordnung, umfassend einen, sich über den gesamten Umfang der Innenseite der Reaktorhülle erstreckenden, segmentierten Anodenring sowie eine zentral angeordnete, höhenverstellbare Kathode, eine Steuereinrichtung einschließlich Spannungsquelle, mittels der an den einzelnen Anoden des segmentierten Anodenrings, über stromleitende Elemente sowie Stromregler nacheinander zur Zündung eines Plasmas ausreichende Spannungen angelegt werden können.For carrying out the process according to the invention, a gasification reactor is provided, comprising:
a gasification chamber enclosed by a reactor jacket, a gasification agent feed device arranged in the lower part of the gasification reactor, and an overflow device for the gasification material located above, between the feed device for the gasification material and the feed device for the gasification agent and the gas distributor plate electrode assembly, comprising a, over the entire circumference of the inside of the reactor shell extending segmented anode ring and a centrally disposed, height adjustable cathode, a control device including voltage source, by means of the individual anodes of segmented anode ring, via current-conducting elements and current regulator successively to ignite a plasma sufficient voltages can be applied.

Der erfindungsgemäßen Wirbelschichtvergasungsreaktor weist einen mit einem Reaktormantel begrenzten Vergasungsraum aufweist. Die Grundform des Reaktormantels ist dabei einem Hohlzylinder ähnlich, wobei sich die Querschnittfläche des Reaktormantels im oberen Teil des Vergasungsreaktors aufweitet.The fluidized-bed gasification reactor according to the invention has a gasification chamber delimited by a reactor jacket. The basic shape of the reactor shell is similar to a hollow cylinder, wherein the cross-sectional area of the reactor shell widens in the upper part of the gasification reactor.

Im unteren Teil weist der Vergasungsreaktor eine Einspeisungsvorrichtung für gasförmige Vergasungsmittel auf. Durch diese Einspeisungsvorrichtung können die Vergasungsmittel unter Druck in den Vergasungsreaktor eingeblasen werden.In the lower part of the gasification reactor has a feed device for gaseous gasification agent. By means of this feed device, the gasification agents can be injected under pressure into the gasification reactor.

Oberhalb der Einspeisungsvorrichtung für das Vergasungsmittel weist der erfindungsgemäße Vergasungsreaktor eine Einspeisungsvorrichtung für den Vergasungsstoff auf. Über diese Einspeisungsvorrichtung können Vergasungsstoffe unter Druck dem Vergasungsreaktor zugeführt werden.Above the feed device for the gasification agent, the gasification reactor according to the invention has an injection device for the gasification substance. Gasification agents can be fed under pressure to the gasification reactor via this feed device.

Oberhalb der Einspeisungsvorrichtung für das Vergasungsmittel und unterhalb der Einspeisungsvorrichtung für den Vergasungsstoff befindet sich eine Elektrodenanordnung, bestehend aus einer an der Innenseite des Reaktormantels befindlichen Anodenanordnung sowie einer auf der Mittelachse des annähernd hohlzylinderförmigen Reaktormantels zentral angeordneten Kathode. Die Kathode ist höhenverstellbar an der Reaktorwand befestigt und geerdet.Above the feed device for the gasification agent and below the feed device for the gasification material is an electrode assembly consisting of an anode assembly located on the inside of the reactor jacket and a centrally arranged on the central axis of the approximately hollow cylindrical reactor shell cathode. The cathode is height-adjustable attached to the reactor wall and grounded.

Die Anodenanordnung besteht aus einzelnen Anoden, die einen segmentierten Anodenring formen. Dabei sind die Anoden in gleichem Abstand zueinander und in gleicher Höhe angeordnet. Die Anzahl der Anoden hängt dabei vom Umfang des Reaktormantels, der Größe der einzelnen Anoden sowie der Größe der Aussparungen zwischen den einzelnen Anoden ab.The anode assembly consists of individual anodes that form a segmented anode ring. The anodes are arranged at the same distance from each other and at the same height. The number of anodes depends on the circumference of the reactor shell, the size of the individual anodes and the size of the recesses between the individual anodes.

Die Anodenanordnung ist über stromführende Elemente sowie Stromregler mit einer Steuereinrichtung einschließlich Spannungsquelle verbunden. Die Verbindung der Anodenanordnung mit der Spannungsquelle mittels der stromleitenden Elemente sowie den Stromreglern ist derart, dass an die einzelnen Anoden verschiedene Spannungen unabhängig von den anderen Anoden angelegt werden können. Insbesondere ist es möglich gezielt an einzelne Anoden des segmentierten Anodenrings eine zur Zündung eines Plasmas ausreichende Spannung anzulegen.The anode assembly is connected via current-carrying elements and current regulator with a control device including voltage source. The connection of the anode arrangement to the voltage source by means of the current-conducting elements and the current regulators is such that different voltages can be applied to the individual anodes independently of the other anodes. In particular, it is possible to selectively apply to individual anodes of the segmented anode ring sufficient to ignite a plasma voltage.

Erfindungsgemäß weist der Vergasungsreaktor einen am Reaktorboden befindlichen Ascheaustrag auf. Anorganische, aus den kohlenstoffhaltigen Partikeln gelöste, Bestandteile sowie nicht mehr in der Wirbelschicht gehaltene kohlenstoffhaltige Partikel die zu Boden fallen werden über diesen Ascheaustrag aus dem Vergasungsraum entfernt.According to the invention, the gasification reactor has an ash discharge at the reactor bottom. Inorganic, dissolved from the carbonaceous particles, components and no longer held in the fluidized bed carbonaceous particles falling to the ground are removed via this ash discharge from the gasification chamber.

An der Oberseite des Vergasungsreaktors befindet sich erfindungsgemäß ein Rohgasabzug für die im Vergasungsreaktor entstehenden, staubbeladenen Rohgase sowie nicht umgesetztes Vergasungsmittel. Mit diesem werden das staubbeladene Rohgas sowie das nicht umgesetzte Vergasungsmittel aus dem Vergasungsraum entfernt.According to the invention, at the top of the gasification reactor there is a raw gas withdrawal for the dust-laden crude gases produced in the gasification reactor and unreacted gasification agent. With this, the dust-laden raw gas and the unreacted gasification agent are removed from the gasification chamber.

Erfindungsgemäß ist der Rohgasabzug mit einem Zyklon bzw. Fliehkraftabscheider verbunden. Dieser weist sowohl einen Abzug für die vom Staub getrennten und somit gereinigten Rohgase sowie eine Rohrleitung zur Rückführung der aus dem Rohgas abgetrennten Stäube auf. Mittels der Rohrleitung erfolgt die druckhafte Rückführung der abgetrennten Stäube in den Vergasungsraum, insbesondere in die Wirbelschicht, oberhalb des Wirbelbodens und unterhalb der Anodenanordnung.According to the invention, the raw gas exhaust is connected to a cyclone or centrifugal separator. This has both a deduction for separated from the dust and thus purified raw gases and a pipe for returning the separated from the raw gas dusts. By means of the pipeline, the pressurized return of the separated dusts into the gasification space, in particular into the fluidized bed, takes place above the fluidized bed and below the anode arrangement.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Reaktorwand mehrschichtig aufgebaut und/oder besitzt isolierende Eigenschaften.In a preferred embodiment, the reactor wall has a multilayer structure and / or has insulating properties.

In einer alternativen bevorzugten Ausgestaltung befindet sich oberhalb der Einspeisungsvorrichtung für das Vergasungsmittel ein Gasverteilerboden. Dabei handelt es sich um eine die gesamte Querschnittfläche des Vergasungsreaktors abdeckende Platte die eine Vielzahl von Öffnungen aufweist. Durchströmt das Vergasungsmittel diesen Gasverteilerboden wird dessen Strömungsgeschwindigkeit aufgrund der verringerten Querschnittfläche erhöht. Darüber hinaus dient der Gasverteilerboden der Homogenisierung der nach oben gerichteten Gasströmung. Alternativ erfolgt die Einspeisung des Vergasungsmittels in den Vergasungsreaktor direkt über einen Gasverteilerboden.In an alternative preferred embodiment, a gas distributor plate is located above the feed device for the gasification agent. It is a covering the entire cross-sectional area of the gasification reactor plate having a plurality of openings. When the gasification agent flows through this gas distributor bottom, its flow velocity is increased due to the reduced cross-sectional area. In addition, the gas distributor plate serves to homogenize the upward gas flow. Alternatively, the feed of the gasification agent into the gasification reactor takes place directly via a gas distributor plate.

In einer ebenfalls bevorzugten Ausgestaltung ist die Einspeisungsvorrichtung für das Vergasungsmittel durch ein steuerbares Ventil verschließbar, so dass die Einspeisung des Vergasungsmittels kontinuierlich oder diskontinuierlich erfolgen kann.In a likewise preferred embodiment, the feed device for the gasification agent can be closed by a controllable valve, so that the feed of the gasification agent can be continuous or discontinuous.

In einer weiterhin bevorzugten Ausführungsform ist die Einspeisungsvorrichtung für den Vergasungsstoff mit einem steuerbaren Ventil verschließbar, wodurch die Zuleitung des Vergasungsstoffes kontinuierlich oder diskontinuierlich erfolgen kann. In a further preferred embodiment, the feed device for the Gasification substance with a controllable valve closable, whereby the supply of the gasification substance can be continuous or discontinuous.

Bevorzugt entspricht der Umriss der Kathode der Querschnittform des Reaktormantels um einen allseitig gleichen Abstand zwischen Kathode und Reaktormantel sicherzustellen.The outline of the cathode preferably corresponds to the cross-sectional shape of the reactor jacket in order to ensure an equidistant distance between the cathode and the reactor jacket.

Die Anoden sind bevorzugt an der Innenseite des Reaktormantels angebracht oder ebenfalls bevorzugt in den Reaktormantel eingelassen.The anodes are preferably attached to the inside of the reactor jacket or also preferably embedded in the reactor jacket.

In einer bevorzugten Ausgestaltung bestehen die Kathode und die Anodenanordnung aus Graphit. Dadurch kommt es bei der Ablösung von Teilchen von der Oberfläche der Elektroden nicht zu einer Verunreinigung der Reaktanden und einer Beeinträchtigung der Vergasungsreaktionen. Kommt es zu einem Materialabtrag von den Elektroden, kann durch die höhenverstellbare Montage der Kathode ein konstanter Abstand zwischen dieser und der Anodenanordnung sichergestellt werden.In a preferred embodiment, the cathode and the anode assembly are made of graphite. As a result, the separation of particles from the surface of the electrodes does not lead to contamination of the reactants and impairment of the gasification reactions. If there is a material removal from the electrodes, can be ensured by the height-adjustable mounting of the cathode, a constant distance between this and the anode assembly.

Bevorzugt befindet sich die Steuereinrichtung innerhalb oder außerhalb des Reaktormantels oder ist ebenfalls bevorzugt in diesen integriert. Bei einer externen Steuereinrichtung einschließlich Spannungsquelle außerhalb des Reaktormantels werden die stromleitenden Elemente durch den Reaktormantel geführt.Preferably, the control device is located inside or outside the reactor shell or is also preferably integrated in this. In an external control device including voltage source outside the reactor shell, the current-conducting elements are passed through the reactor jacket.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Ascheaustrag mit einem steuerbaren Schleusensystem versehen, so dass der Ascheaustrag kontinuierlich oder diskontinuierlich erfolgen kann.In a preferred embodiment, the ash discharge is provided with a controllable lock system, so that the ash discharge can take place continuously or discontinuously.

In einer ebenfalls bevorzugten Ausführungsform ist der Rohgasabzug mit einem steuerbaren Ventilsystem versehen, so dass der Rohgasabzug kontinuierlich oder diskontinuierlich erfolgen kann.In a likewise preferred embodiment, the crude gas exhaust is provided with a controllable valve system, so that the raw gas exhaust can be continuous or discontinuous.

Anhand beigefügter Zeichnungen wird ein Ausführungsbeispiel erläutert.With reference to attached drawings, an embodiment will be explained.

Dabei zeigen:Showing:

1 eine vereinfachte frontale Schnittdarstellung eines Vergasungsreaktors, 1 a simplified frontal sectional view of a gasification reactor,

2 eine Schnittdarstellung durch den Reaktor auf der Höhe A, 2 a sectional view through the reactor at the height A,

3 eine schematische Darstellung des Stromlinienverlaufs zwischen zwei Elektroden in einer Rohrströmung mit 30 Vol.-% Partikeln (das rechte Bild zeigt vergrößert einen Ausschnitt des linken Bildes), 3 a schematic representation of the flow path between two electrodes in a tube flow with 30 vol .-% particles (the right picture shows enlarged a section of the left picture),

4 einen Kontourplot der dimensionslosen Temperatur zwischen zwei Elektroden in einer Rohrströmung mit 30 Vol.-% Partikeln (das rechte Bild zeigt vergrößert einen Ausschnitt des linken Bildes). 4 a contour plot of the dimensionless temperature between two electrodes in a tube flow with 30 vol .-% particles (the right picture shows enlarged a section of the left picture).

1 zeigt einen Vergasungsreaktor der durch einen Reaktormantel 3 begrenzt wird. Im unteren Teil des Vergasungsreaktors bildet der Reaktormantel 3 einen nach unten gewölbten Reaktorboden, in dem sich eine Öffnung für den Ascheaustrag 8 befindet. Ebenfalls im unteren Teil des Reaktors befindet sich die Einspeisungsvorrichtung für das Vergasungsmittel 4. Der untere Teil des Reaktors ist durch einen Gasverteilerboden 10 vom mittleren Teil des Reaktors, der einen zylinderförmigen Reaktormantel 3 aufweist, abgetrennt. 1 shows a gasification reactor through a reactor jacket 3 is limited. In the lower part of the gasification reactor forms the reactor jacket 3 a downwardly curved reactor bottom, in which there is an opening for the ash discharge 8th located. Also in the lower part of the reactor is the feeding device for the gasification agent 4 , The lower part of the reactor is through a gas distributor bottom 10 from the middle part of the reactor, which has a cylindrical reactor jacket 3 has, separated.

Im mittleren Teil des Vergasungsreaktors befindet sich oberhalb des Gasverteilerbodens 10 eine zentrale zylinderförmige Kathode 1. Diese ist mittels einer Hebevorrichtung 9 mit dem nach unten gewölbten Reaktorboden verbunden. Oberhalb der Kathode 1 befindet sich eine an der Innenseite des Reaktormantels 3 eine ringförmige Anodenanordnung 2. Diese Anodenanordnung 2 besteht aus einer Vielzahl von Anoden, die in gleicher Höhe an dem Reaktormantel 3 angebracht sind. Die Abstände zwischen benachbarten Anoden 2 variieren je nach Umfang des Reaktormantels 3 und der Anzahl der Anoden 2. Die gesamte Anodenanordnung 2 bildet einen segmentierten Ring aus Anoden in konstanter Höhe auf der Innenseite des Reaktormantels 3. Oberhalb der Anodenanordnung 2 befindet sich eine Einspeisungsvorrichtung für den Vergasungsstoff 5, durch die Kohle oder andere kohlenstoffhaltige Feststoffe in das Innere des Vergasungsreaktors eingebracht werden. Zwischen der Anodenanordnung 2 und der Kathode 1 befindet sich eine weitere Einspeisungsvorrichtung, durch die mittels eines Zyklons 7 aus dem Reaktionsgas abgesonderte kohlenstoffhaltige Partikel in den mittleren Teil des Vergasungsreaktors zurück geführt werden.In the middle part of the gasification reactor is located above the gas distributor bottom 10 a central cylindrical cathode 1 , This is by means of a lifting device 9 connected to the downwardly curved reactor bottom. Above the cathode 1 there is one on the inside of the reactor shell 3 an annular anode assembly 2 , This anode arrangement 2 consists of a large number of anodes, which are at the same height on the reactor jacket 3 are attached. The distances between adjacent anodes 2 vary depending on the size of the reactor shell 3 and the number of anodes 2 , The entire anode arrangement 2 forms a segmented ring of anodes at a constant height on the inside of the reactor shell 3 , Above the anode assembly 2 there is a feed device for the gasification substance 5 , are introduced through the coal or other carbonaceous solids in the interior of the gasification reactor. Between the anode arrangement 2 and the cathode 1 There is another feed device through which by means of a cyclone 7 Carbon-containing particles separated from the reaction gas are fed back into the middle part of the gasification reactor.

Im oberen Teil des Vergasungsreaktors weitet sich der Reaktormantel 3 und begrenzt so einen Reaktorraum mit größerer Querschnittfläche als im mittleren Teil. Die Oberseite des Vergasungsreaktors wird durch den nach außen gewölbten Reaktormantel 3 begrenzt. Im Scheitelpunkt dieser Wölbung befindet sich ein Rohgasabzug 13, an den ein Zyklon 7 angeschlossen ist. Dieser Zyklon 7 weist eine Austrittsöffnung für das Reaktionsgas sowie eine weitere Austrittsöffnung für abgeschiedene Partikel auf, die über eine Rohrleitung 14 durch eine Einspeisungsvorrichtung zwischen Anodenanordnung 2 und Kathode 1 zurück in den Vergasungsreaktor geführt werden.In the upper part of the gasification reactor widens the reactor jacket 3 and thus limits a reactor space with a larger cross-sectional area than in the middle part. The top of the gasification reactor is through the outwardly curved reactor jacket 3 limited. At the apex of this vault is a raw gas withdrawal 13 to which a cyclone 7 connected. This cyclone 7 has an outlet opening for the reaction gas and a further outlet opening for separated particles, which via a pipe 14 by a feeding device between anode arrangement 2 and cathode 1 be led back into the gasification reactor.

In dem in 2 gezeigten Schnitt durch den Vergasungsreaktor in Höhe A wird eine mögliche Ausgestaltung der Anodenanordnung 2 gezeigt. Dabei sind vier Paare gegenüberliegender Anoden an der Innenseite des Reaktormantels 3 angebracht. Jede dieser Anoden ist über ein stromleitendes Element 12 sowie über einen Stromregler 15 mit einer außerhalb des Vergasungsreaktors befindlichen Steuereinrichtung einschließlich Spannungsquelle 11 verbunden. Diese Verbindungen, die den Reaktormantel 3 durchdringen, sind derart, dass an jede Anode eine von den anderen Anoden unabhängige Spannung angelegt werden kann.In the in 2 shown section through the gasification reactor in height A is a possible embodiment of the anode assembly 2 shown. There are four pairs of opposing anodes on the inside of the reactor shell 3 appropriate. Each of these anodes is via a current-conducting element 12 as well as a current regulator 15 with a control device located outside the gasification reactor including a voltage source 11 connected. These compounds, which are the reactor jacket 3 are such that a voltage independent of the other anodes can be applied to each anode.

Die Anoden des segmentierten Anodenrings 2 können über hardwaremassig und/oder programmtechnisch ausgebildete Stromregler 15 mit einer Steuereinrichtung einschließlich einer Spannungsquelle 11 in Verbindung stehen, wobei jeder Teilanode 2 ein Stromregler 15 zugeordnet ist. Mit den Stromreglern können die Teilanoden 2 auch abschaltbar ausgebildet sein. Dadurch ist es beim Betrieb möglich, mit lokal verschiedenen Stromdichten zu arbeiten und somit die Ausbildung des Plasmas im Reaktor einzustellen.The anodes of the segmented anode ring 2 can via hardware-wise and / or programmatically trained current regulator 15 with a control device including a voltage source 11 communicate with each sub-anode 2 a current regulator 15 assigned. With the current regulators, the partial anodes 2 also be designed to be switched off. This makes it possible during operation to work with locally different current densities and thus to adjust the formation of the plasma in the reactor.

In der Mitte des zylinderförmigen Reaktormantels ist eine ebenfalls zylinderförmige Kathode 1 angeordnet. Diese ist mittels einer Hebevorrichtung 9 höhenverstellbar montiert und befindet sich daher in 2 in selber Höhe wie die Anodenanordnung 2.In the middle of the cylindrical reactor shell is also a cylindrical cathode 1 arranged. This is by means of a lifting device 9 mounted height adjustable and is therefore located in 2 in the same height as the anode arrangement 2 ,

Der in 1 gezeigte Vergasungsreaktor dient zur Vergasung von Kohle bzw. anderer kohlenstoffhaltiger Feststoffe. Dabei werden geeignete Größenfraktionen dieses kohlenstoffhaltigen Materials in bestimmten Raten durch die Einspeisungsvorrichtung für den Vergasungsstoff 5 in den mittleren Teil des Vergasungsreaktors eingebracht. Durch die Einspeisungsvorrichtung für das Vergasungsmittel 4 wird simultan Vergasungsmittel in bestimmten Raten in den unteren Teil des Vergasungsreaktors eingebracht.The in 1 The gasification reactor shown serves for the gasification of coal or other carbonaceous solids. In this case, suitable size fractions of this carbonaceous material in certain rates by the feed device for the gasification material 5 introduced into the middle part of the gasification reactor. By the feed device for the gasification agent 4 At the same time, gasification agents are introduced into the lower part of the gasification reactor at specific rates.

Zusätzlich wird ein Gemisch, enthaltend Wasserdampf und Kohlendioxid, als Vergasungsmittel verwendet. Dieses Gasgemisch strömt in dem Vergasungsreaktor durch den Gasverteilerboden 10 nach oben. Oberhalb des Gasverteilerbodens 10 bildet sich durch das nach oben strömende Gasgemisch eine Wirbelschicht aus Vergasungsstoff und Vergasungsmittel aus. Die Wirbelschicht erfüllt dabei zumindest die Raumgebiete zwischen der Anodenanordnung 2 und der zentralen Kathode 1.In addition, a mixture containing water vapor and carbon dioxide is used as the gasifying agent. This gas mixture flows through the gas distributor bottom in the gasification reactor 10 up. Above the gas distributor floor 10 A fluidized bed of gasification agent and gasification agent is formed by the upwardly flowing gas mixture. The fluidized bed fulfills at least the space regions between the anode arrangement 2 and the central cathode 1 ,

Durch das Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen einer der Anoden der Anodenanordnung 2 und Kathode 1 kommt es zu einer Gasentladung im Vergasungsmittel, wodurch sich im Vergasungsreaktor ein Lichtbogen bzw. eine Plasmaschnur bildet.By applying an electrical voltage between one of the anodes of the anode assembly 2 and cathode 1 There is a gas discharge in the gasification agent, which forms an arc or a plasma arc in the gasification reactor.

Aufgrund der großen Leitfähigkeitsunterschiede von Vergasungsstoff und Vergasungsmittel erfolgt der Stromfluss zwischen Anode und Kathode vorrangig durch die kohlenstoffhaltigen Partikel des Vergasungsstoffes. Dieser Sachverhalt geht ebenfalls aus in 3 illustrierten Daten einer computergestützten Simulation hervor. Dabei zeigt 3 den Stromlinienverlauf in einer Rohrströmung zwischen zwei Elektroden, ausgefüllt mit einem schlecht leitenden Gas sowie 30 Vol.-% Feststoffpartikeln hoher Leitfähigkeit. Due to the large differences in conductivity of gasification agent and gasification agent, the flow of current between the anode and cathode takes place primarily through the carbonaceous particles of the gasification substance. This fact also goes out in 3 illustrated data of a computer-aided simulation. It shows 3 the streamline course in a pipe flow between two electrodes, filled with a poorly conductive gas and 30 vol .-% solid particles of high conductivity.

Aufgrund der hohen Leitfähigkeitsunterschiede zwischen Vergasungsstoff und -mittel kommt es somit insbesondere zwischen den Vergasungsmittelpartikeln zur Ionisation des Vergasungsmittels. Dadurch bilden insbesondere dort und in Richtung des Gradients des elektrischen Feldes Lichtbögen aus. Dadurch kommt es vor allem zwischen den Partikeln zu einer starken Erhitzung des Vergasungsmittels. Dieser Sachverhalt ist aus den in 4 illustrierten Daten einer computergestützten Simulation ersichtlich. Dabei zeigt 4 den Konturplot der dimensionslosen Temperatur zwischen zwei Elektroden in einer Rohrströmung mit 30 Vol.-% leitfähigen Partikeln in einem schlecht leitenden Gas.Due to the high differences in conductivity between gasification substance and agent, ionization of the gasification agent thus occurs in particular between the gasification agent particles. As a result, arcs form there and in particular in the direction of the gradient of the electric field. As a result, especially between the particles to a strong heating of the gasification agent. This fact is from the in 4 illustrated data of a computer-aided simulation. It shows 4 the contour plot of the dimensionless temperature between two electrodes in a tube flow with 30 vol .-% conductive particles in a poorly conductive gas.

Die Plasmaschnüre bestehen zum größten Teil aus dem ionisierten, leuchtenden Vergasungsmittel sowie darin befindlichen C-haltigen Partikeln. In diesem Plasma herrschen hohe Temperaturen von 5.000 K bis 50.000 K. Darüber hinaus erfolgt eine starke Erhitzung der C-haltigen Partikel, sowohl durch Widerstandserwärmung aufgrund der angelegten Spannung als auch durch Absorption der vom Plasma emittierten Strahlung.The plasma cords consist for the most part of the ionized, luminous gasification agent and C-containing particles therein. In this plasma, high temperatures of 5,000 K to 50,000 K. In addition, there is a strong heating of the C-containing particles, both by resistance heating due to the applied voltage and by absorption of the radiation emitted by the plasma.

Aufgrund der räumlichen Begrenzung der Lichtbögen als Gebiete sehr hoher Temperaturen sowie der Verwendung des Vergasungsstoffes in bestimmten Feststoffkonzentrationen, ist die Durchschnittstemperatur im Vergasungsraum weit niedriger als die für Plasmen typischen Temperaturen. Darüber hinaus ist die Durchschnittstemperatur, insbesondere aufgrund der katalytischen Wirkung des Plasmas, niedriger als in heutigen Wirbelschichtvergasungsreaktoren. Due to the spatial limitation of the arcs as areas of very high temperatures and the use of the gasification substance in certain solid concentrations, the average temperature in the gasification chamber is far lower than the temperatures typical for plasmas. In addition, the average temperature, in particular due to the catalytic effect of the plasma, lower than in today's fluidized bed gasification reactors.

Aufgrund der starken Erhitzung der kohlenstoffhaltigen Partikel sowie des Vergasungsmittels, dessen Ionisation und der Entstehung freier Radikaler finden im Vergasungsreaktor spontan die endothermen Vergasungsreaktionen, insbesondere die Wassergas- und die Boudouardreaktion statt.Due to the strong heating of the carbonaceous particles and the gasification agent, its ionization and the formation of free radicals find in the gasification spontaneously the endothermic gasification reactions, especially the water gas and the Boudouard reaction.

Durch die Steuereinrichtung einschließlich einer Spannungsquelle 11 wird eine diskontinuierliche Spannungsänderung an den Anoden 2 erzeugt. Durch die Rotation des Spannungsfelds wird nur zwischen der Kathode 1 und einer Anode der Anodenanordnung 2, zwischen denen die angelegte elektrische Spannung ausreichend stark ist, ein Plasma mittels Gasentladung gezündet. Somit entsteht im Vergasungsreaktor ein diskontinuierliches Plasma. Durch das sequentielle Ansteuern der Anoden 2 rotiert das diskontinuierliche Plasma um die Achse des Vergasungsreaktors.By the control device including a voltage source 11 becomes a discontinuous voltage change at the anodes 2 generated. Due to the rotation of the voltage field is only between the cathode 1 and an anode of the anode assembly 2 , between which the applied electrical voltage is sufficiently strong, ignited a plasma by means of gas discharge. This results in a discontinuous plasma in the gasification reactor. By the sequential activation of the anodes 2 The discontinuous plasma rotates about the axis of the gasification reactor.

Aufgrund dieser Rotation kommt es zu einer weiteren Durchmischung von Vergasungsstoff und Vergasungsmittel im Vergasungsreaktor. Diese Durchmischung basiert zum einen auf Temperatur- und Druckunterschieden, die durch die Rotation des Plasmas im Vergasungsreaktor erzeugt werden. Darüber hinaus bewirkt die Beschleunigung und Ablenkung der geladenen Plasmateilchen sowie C-haltigen Partikel in den im Plasma auftretenden elektro-magnetischen Feldern eine zusätzliche Durchmischung im Vergasungsreaktor.Due to this rotation, there is a further mixing of gasification agent and gasification agent in the gasification reactor. This mixing is based on the one hand on temperature and pressure differences, which are generated by the rotation of the plasma in the gasification reactor. In addition, the acceleration and deflection of the charged plasma particles and C-containing particles in the plasma occurring in the electro-magnetic fields causes additional mixing in the gasification reactor.

Somit kommt es sowohl durch die Wirbelschicht als auch durch die Wirkung des rotierenden Plasmas zu einer Vermischung der Reaktanden im Vergasungsreaktor. Zusammen mit der Wirkung der bei der Plasmazündung freiwerdenden und von dem Reaktormantel 3 reflektierten Strahlung führt dies zu einer Vergrößerung der Reaktionszone im Vergasungsreaktor. Die Vergasungsreaktionen finden somit nicht nur in unmittelbarer Nähe des rotierenden Plasmas sondern in weiten Teilen des Vergasungsreaktors statt.Thus, both the fluidized bed and the action of the rotating plasma cause mixing of the reactants in the gasification reactor. Together with the effect of the released at the plasma ignition and the reactor jacket 3 reflected radiation, this leads to an enlargement of the reaction zone in the gasification reactor. The gasification reactions thus take place not only in the immediate vicinity of the rotating plasma but in large parts of the gasification reactor.

Aufgrund der Erhitzung der C-haltigen Partikel kommt es zur Lösung anorganischer Bestandteile, beispielsweise Schwefelverbindungen, aus den Partikeln die dann als Asche zu Boden fallen. Auch C-haltige Partikel die nicht mehr in der Wirbelschicht gehalten werden, fallen durch diese hindurch auf den Boden des Vergasungsreaktors. Durch einen geeigneten Schleusenmechanismus an dem Ascheaustrag 8 werden diese Bodenprodukte bzw. Aschen aus dem Vergasungsreaktor ausgetragen.Due to the heating of the C-containing particles it comes to the solution of inorganic components, such as sulfur compounds, from the particles which then fall as ash to the ground. Also C-containing particles that are no longer held in the fluidized bed fall through them on the bottom of the gasification reactor. Through a suitable lock mechanism on the ash discharge 8th These soil products or ashes are discharged from the gasification reactor.

Das entstandene Rohgas, andere gasförmige Reaktionsprodukte sowie feine kohlenstoffhaltige Partikel strömen im Vergasungsreaktor nach oben. Durch das Aufweiten des Reaktormantels im oberen Bereich des Vergasungsreaktors verlangsamt sich die Gasströmung, wodurch weniger kohlenstoffhaltige Partikel in der Schwebe gehalten werden. Diese fallen zurück in die Wirbelschicht, um erneut an den Vergasungsreaktionen teilzunehmen. Die Rohgase sowie weiterhin damit vermischte leichte kohlenstoffhaltige Partikel verlassen den Reaktionsreaktor anschließend durch den Rohgasabzug 13 an der Oberseite des Reaktors und gelangen in den Zyklon 7.The resulting crude gas, other gaseous reaction products and fine carbonaceous particles flow up in the gasification reactor. The expansion of the reactor shell at the top of the gasification reactor slows the flow of gas, thereby keeping less carbonaceous particles in suspension. These fall back into the fluidized bed to participate again in the gasification reactions. The raw gases as well as light carbonaceous particles further mixed with them leave the reaction reactor subsequently through the raw gas withdrawal 13 at the top of the reactor and enter the cyclone 7 ,

Die Mischung aus Rohgas und darin befindlichen Partikeln treten unter einem Winkel größer 0° zur Mittelachse des Zyklons 7 in diesen ein. Aufgrund einer Querschnittverengung des Zyklon 7 kommt es zu einer Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit des Rohgases und der Partikel. Aufgrund ihrer höheren Masse wirkt dabei eine stärkere Zentripetalkraft auf die kohlenstoffhaltigen Partikel als auf die Gasteilchen. Dadurch werden sie nach außen gegen die Wand des Zyklons 7 gedrängt und durch den Aufprall auf dieser so stark abgebremst, dass sie nach unten rieseln und aufgefangen werden. Durch eine Rohrleitung werden diese feinen kohlenstoffhaltigen Partikel wieder der Vergasungszone im mittleren Teil des Reaktors zugeführt und nehmen erneut an den Vergasungsreaktionen teil. The mixture of raw gas and particles therein occur at an angle greater than 0 ° to the central axis of the cyclone 7 in this one. Due to a cross-sectional constriction of the cyclone 7 There is an increase in the flow rate of the raw gas and the particles. Due to their higher mass, a stronger centripetal force acts on the carbonaceous particles than on the gas particles. This will make them outward against the wall of the cyclone 7 urged and slowed down by the impact on this so strong that they trickle down and are caught. Through a pipeline these fine carbonaceous particles are returned to the gasification zone in the middle part of the reactor and participate again in the gasification reactions.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: Kathode cathode
22: Anodenanordnung anode assembly
33: Reaktormantel reactor shell
44: Einspeisungsvorrichtung Vergasungsmittel Feed device Gasification agent
55: Einspeisungsvorrichtung Vergasungsstoff Feeding device gasification substance
66: Wirbelschicht fluidized bed
77: Zyklon cyclone
88th: Ascheaustrag ash discharge
99: Hebevorrichtung hoist
1010: Gasverteilerboden Gas distributor base
1111: Spannungsquelle / Steuereinrichtung Voltage source / controller
1212: Stromleitende Elemente Conductive elements
1313: Rohgasabzug Rohgasabzug
1414: Rohrleitung pipeline
1515: Stromregler current regulator

Claims

Verfahren zur Vergasung von kohlenstoffhaltigen festen Stoffen in einem Wirbelschichtvergasungsreaktor, wobei ein Vergasungsmittel, das Kohlendioxid und/oder Wasserdampf enthält, im unteren Teil des Vergasungsreaktors mittels einer Einspeisungsvorrichtung (4) unter Druck in den Vergasungsreaktor eingeblasen wird, wobei der Vergasungsstoff oberhalb der Wirbelschicht unter Druck in den Vergasungsreaktor eingeführt wird, wobei die Vergasung der Vergasungsstoffe mit den Vergasungsmitteln erfolgt, indem mittels eines in der Wirbelschicht um die Mittelachse des Reaktormantels (3) schrittweise rotierenden Spannungsfeldes diskontinuierlich ein, dem Spannungsfeld folgend schrittweise rotierendes, Plasma gezündet wird, und staubbeladenes Rohgas oberseitig und Bodenprodukt (Asche) unterseitig des Vergasungsreaktors abgezogen wird.Process for the gasification of carbonaceous solids in a fluidized bed gasification reactor, wherein a gasification agent containing carbon dioxide and / or water vapor in the lower part of the gasification reactor by means of a feed device ( 4 ) is introduced under pressure into the gasification reactor, wherein the gasification material is introduced above the fluidized bed under pressure in the gasification reactor, wherein the gasification of the gasification materials is carried out with the gasification means by means of a in the fluidized bed about the central axis of the reactor shell ( 3 ) stepwise rotating field of tension discontinuous one, the voltage field following stepwise rotating, plasma is ignited, and dust-laden raw gas on top and bottom product (ash) is withdrawn from the bottom of the gasification reactor.

Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das schrittweise um die Mittelachse des Reaktormantels (3) rotierende Spannungsfeld zwischen einem segmentierten, Anodenring (2) und einer zentralen Kathode (1) erzeugt wird, indem mittels einer Steuerungseinrichtung einschließlich Spannungsquelle (11) die jeweils an den Anoden des segmentierten Anodenrings (2) anliegende elektrische Spannung diskontinuierlich moduliert wird.A method according to claim 1, characterized in that the stepwise around the central axis of the reactor shell ( 3 ) rotating stress field between a segmented, anode ring ( 2 ) and a central cathode ( 1 ) is generated by means of a control device including voltage source ( 11 ) each at the anodes of the segmented anode ring ( 2 ) applied voltage is discontinuously modulated.

Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Vergasungsmittel ein Gemisch aus 0 Vol.-% bis 100 Vol.-% Wasserdampf und 0 Vol.-% bis 100 Vol.-% Kohlendioxid sowie 0 Vol.-% bis 10 Vol.-% Sauerstoff verwendet wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the gasification agent is a mixture of 0 vol .-% to 100 vol .-% of water vapor and 0 vol .-% to 100 vol .-% carbon dioxide and 0 vol .-% to 10 vol .-% oxygen is used.

Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Vergasungsstoff im Vergasungsreaktor mit einer Konzentration von 10 Vol.-% bis 30 Vol.-% Feststoff sowie mit einer mittleren Korngröße von 0,1 mm bis 10 mm, bevorzugt 0,5 mm und 7 mm und besonders bevorzugt 1 mm bis 5 mm vorliegt.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the gasification material in the gasification reactor with a concentration of 10 vol .-% to 30 vol .-% solid and having an average particle size of 0.1 mm to 10 mm, preferably 0.5 mm and 7 mm, and more preferably 1 mm to 5 mm.

Vergasungsreaktor für die Wirbelschichtvergasung, umfassend – einen von einem Reaktormantel (3) umschlossenen Vergasungsraum, – eine im unteren Teil des Vergasungsreaktors angeordnete Einspeisungsvorrichtung für das Vergasungsmittel (4) sowie eine darüber befindliche Einspeisungsvorrichtung für den Vergasungsstoff (5), – eine zwischen der Einspeisungsvorrichtung für den Vergasungsstoff (5) und der Einspeisungsvorrichtung für das Vergasungsmittel (4) und dem Gasverteilerboden (10) befindliche Elektrodenanordnung, umfassend einen, sich über den gesamten Umfang der Innenseite der Reaktorhülle (3) erstreckenden, segmentierten Anodenring (2) sowie eine zentral angeordnete, höhenverstellbare Kathode (1), – eine Steuereinrichtung einschließlich Spannungsquelle (11), mittels der an den einzelnen Anoden des segmentierten Anodenrings (2), über stromleitende Elemente (12) sowie Stromregler (15) nacheinander zur Zündung eines Plasmas ausreichende Spannungen angelegt werden können.Gasification reactor for fluidized bed gasification, comprising - one of a reactor shell ( 3 ) enclosed gasification space, - arranged in the lower part of the gasification feed device for the gasification agent ( 4 ) as well as an infeed device for the gasification substance ( 5 ), - one between the feeding device for the gasification substance ( 5 ) and the feed device for the gasification agent ( 4 ) and the gas distributor floor ( 10 ) located electrode assembly comprising, over the entire circumference of the inside of the reactor shell ( 3 ) extending, segmented anode ring ( 2 ) and a centrally arranged, height-adjustable cathode ( 1 ), - a control device including voltage source ( 11 ), by means of the at the individual anodes of the segmented anode ring ( 2 ), via current-conducting elements ( 12 ) as well as current regulator ( 15 ) successive to ignition of a plasma sufficient voltages can be applied.

Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass im Vergasungsreaktor unterseitig ein Ascheaustrag (8) für Bodenprodukte sowie oberseitig ein Rohgasabzug (13) für das staubbeladene Rohgas (13) angeordnet ist.Apparatus according to claim 5, characterized in that the bottom of the gasification reactor in the gasification reactor ( 8th ) for soil products and on the top side a raw gas exhaust ( 13 ) for the dust-laden raw gas ( 13 ) is arranged.

Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Rohgasabzug (13) mit einem Zyklon (7) verbunden ist, der einen Abzug für die gereinigten Rohgase sowie eine Rohrleitung (14) zur Rückführung der aus dem Rohgas abgeschiedenen staubförmigen Vergasungsstoffe in die Wirbelschicht aufweist.Apparatus according to claim 5 or 6, characterized in that the raw gas exhaust ( 13 ) with a cyclone ( 7 ), which has an outlet for the purified raw gases and a pipeline ( 14 ) to return the separated from the raw gas dust-like gasification materials in the fluidized bed.